篇一：短半径水平井技术
短半径水平井技术
短半径水平井是在中长半径水平井技术基础上发展起来的一项钻井新技术，该技术能成倍的提高油井产量和提高采收率，改善井网布置，合理有效的开发各类油藏，不但可以节约钻井及油田开发综合成本，尤其是对难以开发的薄油气层，极大地提高了采收率和经济效益。
一、短半径水平井的特点
短半径水平井的定义一般是指造斜井段的造斜率大于1°/m的水平井，即曲率半径小于57.3m，又称大曲率水平井。
短半径水平井具有井眼小、造斜率高、曲率半径和靶前位移短等特点。短半径水平井的主要特点和优缺点见表1。
表1 短半径水平井的特点
短半径水平井在国外各大公司中，美国贝克?修斯是具有代表性的一家公司。七十年代中期，美国的Eastman Whipstock公司通过八年的研究试验，研制出了短半径造斜钻井系统，经改进完善，在美国南部一些油田和加拿大北坡的Knparnk油田广泛应用提高产量4倍以上。1983年以来设在西德的Eastman Christenden公司又作了进一步改进并完型生产，九十年代初期经过一次较大的兼并，将与钻井技术有关的数家服务公司从资金、人才和技术方面进步了择优调整，组建了能从事钻井“一条龙”服务的Baker Hughes Intep公司，在技术研究和工具仪器方面都有很强的竞争能力，近年来已侧钻段半径水平井300余口。
Sperrg-Sum公司在以发展仪器为主的基础上，已能为提供定向井与水平井钻井的全面服务。该公司短半径水平井技术也处于领先地位，它的无线随钻MWD和ESS电子多点采用了柔性连接方式，广泛用于短半径侧钻水平井。目前，短半径水平井的最大水平位移和最长水平段已分别达到953m和600m；开窗侧钻点最大井深已达到7751m。 水平段最长的短半径水平井是美国的Mobil Erdgas-Erdoel Gmbh公司在德国钻成的Reitbrook 308井（120.7mm井眼），水平段长600m，水平位移953m。
进入80年代以来，国外许多公司在常规水平井钻井技术基础上，开展了超短半径侧钻水平井的研究试验。超短半径侧钻水平井是指在垂直井眼的半径方向上用高压水射流钻出曲率半径为0.3m左右的水平井眼的井（ulleshont Radius Radial well）美国比契特尔（Bechtel）投资公司和石油物理（Petvophysics）有限公司独树一帜，经过六年多的探索试验，Bechtell公司发明的以特殊井下斜向器和高压射流破岩钻头为主要技术的超短半径侧钻水平井系统（Ultnashort Radius Radial system，简称URRS）。该技术采用了特殊的井下斜向器和高压射流破岩钻头，利用高压水射流进行全面破岩钻进，完全摆脱了机械方法破岩的束缚，从而可在垂直井眼的半径方位上用高压水射流钻出曲率半径为0.3m左右的水平井眼，并能使在油层中钻进的速度达到3～30m/h，整个钻井过程比常规水平井更简单、更经济，到1985年上半年在加利福尼亚和洛杉矾油田钻出了450多口井径向水平井，1986年经改进又推出了更科
学更完善的第二代Becwell水平井钻井系统，到1987年己钻成的经向水平井超过了600口，其中水平井眼直径为101.6mm(4")，水平段长度为30-60m，并能在一口垂直井的同一深度上向四周外出24口幅射状的水平井眼，在浅的未胶结的地层中钻24口水平井，实际钻井时间一般不超过60小时。
国外短半径侧钻水平井起步较早，工艺技术日趋完善，应用规模不断扩大。我国经过“九五”攻关已较好地掌握了这项技术，但在开窗侧钻效率、经济技术指标、工具仪器配套、新技术新工具的开发应用方面与先进水平相比尚有较大差距。
近年我国开展了柔性短半径水平井钻井工具的攻关研究，并取得了多项可喜的成果。石油勘探开发科学研究院机械所自行研制的铰接螺杆马达系统采用两节螺杆马达接头所需要的动力，其间用铰接头连接。最大刚性长度为1.5m，造斜率3°-5°/m，曲率半径≤18m，能在28m曲线井眼长度内将井眼由垂直变为水平，样机室内试验和现场中间试验达到设计要求，并通过有关专家的验收和评定，有ф120.65mm和ф89.9mm两种规格，供套管内侧钻短半径水平井使用。另外，石油大学和大港油田联合开发了适用转盘和动力水龙头钻短半径水平井的柔性钻井系统。该系统由柔性钻杆和造斜短节两部分组成。钻杆用薄壁无缝管切割蘑茹口，可随钻柱旋转。造斜短节外壳切有单向弯曲的割缝，在钻压的作用下可单向弯曲，施工中不旋转，其内有铠接的胶管，用以循环钻井液，并有一传动轴，将上部钻的旋转动力传柱给钻头，样机通过了室内台架试验，未下井进行现场实钻试验。短半径水平井钻井工具的研制成功，必将促进我国套管内侧钻短水平井的发展。
胜利油田在“九五”期间，作为承担国家重点科研项目的主要单位之一，开展了短半径侧钻水平井项目的科研攻关，使短半径侧钻水平井技术有了新的突破，形成了系列配套技术。几年来，共在不同类型油藏区块上完成侧钻水平井18口，其中139.7mm套管内短半径侧钻水平井10口。短半径水平井平均造斜率为1.1°/m，最高造斜率3.6°/m，目的层垂深误差小于2m，侧钻点最深达4515.5m。
我国“九五”期间，在对长、中半径水平井钻井技术及配套装备、工具、仪器等不断进行改进、完善和更新的基础上，对套管内短半径侧钻水平井配套工艺技术进行了系统的试验研究，引进或开发出适用的井下工具和测量仪器，取得突破性进展。此外，在此基础上进行的超短半径侧钻水平井技术的试验研究也取得了实质性的进展。
石油大学（华东）和中原油田钻井院从1992年开始合作进行了“径向水平井钻井技术研究”，1994年完成了可行性研究并研制出了用高压水射流钻径向水平井的特殊斜向器和水力破岩钻头。“九五”期间进行配套技术的实质性研究，形成了与国外第二代Becwell水平井系统相类似的径向水平井钻井系统，该系统主要设备为一台耐压80MPa以上的压裂泵和一台修井作业机，目前已进行了3口井的现场试验。其中1997年对辽河油田锦45-04-19井进行改造，侧钻点井深1020m，段铣长度5m，地面水力压力50～60MPa，排量10L/s，曲率半径0.3m，孔径120mm，水平段长15.86m，平均机械钻速9.55m/h。水平段采用裸眼完井，扩眼段采用砾石充填。产量为原来的8-9倍。
中原油田钻井工艺研究所也进行了“柔性钻井技术”的研究，采用特殊斜向器、铰接柔性钻杆配合铰接马达或转盘钻进行水平钻进，、下柔性筛管完井。目前已在中原油田和陕北油田现场试验6口井，其中3口水平段长6m左右（最长8.05m），曲率半径均小于1m，孔径116mm。
辽河油田钻井院研制了水力扩孔工具并已钻了2口试验井，均获高产。
吉林油田钻井院研制了水力开窗工具，钻成3口试验井。
江汉油田矿机所研制了液缸式转向器，2000年地面试验获得成功。
中国地质大学于1998年研制出“直角转向水平钻进井下处理系统”。该系统 主要由钻头总成、可单向弯曲的柔性钻杆、传递动力的柔性软管、转换连接器、折叠式导向器、定向器、护管、导管及辅助接头等组成。并进行了地面试验，钻孔深度达6m，孔径80mm，曲率半径小于0.5m。
2000年6月、9月江汉油田矿机所、吉林油田钻井院、辽河油田钻井院和石油大学（华东）在江汉油田矿机所联合进行了两次地面试验，对各自研制的工具和配套设施进行检验，试验获得圆满成功，必将对我国超短半径侧钻水平井钻井技术水平的提高起到积极的推动作用。
实践表明，采用超短半径侧钻水平井进行老井改造可提高产量2.35-9倍，国内己钻超短半径侧钻水平井情况见表2。
目前，由于该技术的定向准确可靠、钻速高、设备简单、操作方便、钻井成本低。这一
新技术越来越受到世界范围内的石油生产公司的青睐，显示了强大的生命力和远大的发展前景，并己形成了逐步取代用常规钻水平井方法钻短曲率半径水平井的趋势，展现了现代钻井技术发展的新方向。
三、短半径水平井装备及工具
1、钻机和钻杆
目前，有两类钻机用于短半径水平井施工。一类是修井机和小型钻机，一类是连续管作业装置。在4 1/2英寸井眼中侧钻水平井可使用改装的修井机，并配备一套动力水龙头；另外还需要带有固控设备的泥浆循环系统，但容量和处理能力相对较小。选择的泵应能满足锻铣作业中清洗和冷却的要求。
在裸眼井段，常采用带有CS-Hydril或PH-6工具接头的2 3/8英寸油管作为钻柱。PH-6接头比CS-Hydril接头抗扭强度高，这在磨铣阶段中有好处，但它的内径较小，大多数仪器不能通过。为此，可使用变径钻杆，在曲线段和水平段用2 2/3英寸并带有CS-Hydril接头的钻柱，在直井段使用2 7/8英寸的钻杆。
在较大尺寸井眼或深井中钻短半径水平井，可使用常规钻机或配套钻具。
2、井下马达
短半径水平井的造斜率一般都很高，需要采用特殊结构的井下马达才能满足设计要求。常用的井下马达有大角度的单弯或双弯马达以及铰接马达。
进入80年代，短半径水平井受到世界各国的广泛重视，相继开发了新的钻井系统，普遍的做法是将用于中、长半径水平井的螺杆马达引入了短半径水平系统的研究之中。典型的公司有Eastman christenson公司、Preussag公司、Anadrill schlumberger公司。并相继研制出了与之配套使用的柔性有线随钻和柔性MWD,使得水平段长度达到400m，在薄油层、复杂断块和小区块油藏中发挥了积极的作用，促进了套管开窗侧钻钻短水平井的发展。
Eastman christenson公司的铰接螺杆马达系统，可以钻曲率半径为12-15m的短半径水平井。其工具特点是把在中半径水平井内使用很有效的容积式钻井液马达长度缩短到1m，并用专利的万向接头铰接起来，造斜段用一节马达，稳斜段用两节马达，钻头、近钻头稳定器和成向接头稳定器构成决定曲率半径的三个接触点，配单弯或双弯的外壳，造斜率可达4.8°/m。有Φ120.65mm和Φ95.25mm、两种规格，可供Φ177.8mm和Φ139.7mm套管内侧钻短水平井使用。
Pneussag公司的铰接马达系统。该系统与Eastnman christenson公司铰接马达系统主要不同点在于造斜段总成的结构。它主要由旋转的内驱动管和不旋转的外铰接管两部分组成。旋转内驱动管内铠装有胶管，既可在一定角度内弯曲，又可循环钻井液。不旋转的铰接外管可单向弯曲一定角度而不发生方位变化，既可按井眼轨迹弯曲，不可向钻头传递转压。钻头、近钻头稳定器垫块及单身弯曲铰接接头稳定器构成决定曲率半径的3个接触点，不配备弯外壳（或弯接头）。有Φ120.65mm和Φ171.45mm两种规格，可供Φ177.8mm和Φ244.5mm套管内侧钻短半径水平井。
Anadrill schlumberger公司的铰接马达系统。该系统主要由短螺杆马达、上下铰接头及造斜段总成组成。造斜段总成主要由近钻头稳定器压力驱动的活塞和可调直径稳定器构成，其中可调直径稳定器在钻台上可以调整直径，压力驱动的活塞在钻井液柱压力作用下外凸块的外凸程度不同。这样在造斜与稳斜施工时只用一根钻具即可满足要求。共有两种规格3种造斜率，用于Φ177.8mm套管内钻的Φ120.65mm钻头，造斜率2.43°/m；用于Φ139.7mm套管内侧钻的Φ88.9mm钻头，造斜率为2.66°/m。
3、测量仪器
短半径水平井的高造斜率，采用常规仪器难以通过井下钻柱，必须使用小尺寸或柔性连接的测斜仪。
斯佩里森（Sperry-Sun）公司在以发展测量仪器为主的基础上已转为提供定向井与水平井钻井全面服务,其生产规模及利润就今年在全球范围内可于各大公司抗衡,该公司段半径水平井技术也处于领先地位,目前生产井主要集中在加拿大北部和俄罗斯部分油田,总体水平仍以测量仪器见长, 该公司的MWD和ESS电子采用了与贝克·休斯基本相同的柔情连接方式,最大特点是下井脉冲发生器本体和探管本身尺寸较小,在变型为小井眼仪器和短半径水平仪器时,不许另行设计,只是将蘑菇头、 孔板和涡轮发电机的定子、转子改造为何是的尺寸即可,节约了大量的配套费用。
吉欧.灵克公司（Geolink）也是一家以测量仪器见长的公司，该公司成立于1988年，是由一批高级技术人员组成的高技术小公司，其生产的无限岁钻测斜仪已销售到三十多个国家和公司，其MWD产品上海目前世界上最短，下井结构最简单、操作最容易和需要维修设备
最少的无线随钻测斜仪，价钱仅为大公司的50%左右，该仪器是目前世界上唯一商业化的可覆盖长、中、短半径造斜率范围的无限随钻测斜仪，在不作任何改井的前提下，由于其铍青铜外筒和脉冲发生气留有弯曲余量，可以满足18m曲率半径水平井曲率井段和水平井段的测量要求。且该公司是唯一一家加接、测量并达到商业化的程度。
4、开窗侧钻工具
开窗侧钻工具有两种。一种是套管锻铣器，它的工作原理是利用铣刀将套管锻铣一定井段，然后填井侧钻；另一种是斜向器，采用非磁性类仪器定向直接将斜向器坐封在套管上，利用特殊工具开窗侧钻。
5、钻井用液力加压器
钻井用液力加压器是通过钻井液的液压力产生钻压，开泵时，液力加压器使下部井底钻具组合与钻柱的其余部分相分离，以便提供一个恒定的、可控的钻压，减少轴向振动和冲击。液力加压器能够解决短半径水平井的钻井加压难题，提高机械钻速和钻头使用寿命，改善施工条件和减少井下事故。
四、胜利油田短半径水平井钻井技术
一、剖面设计
1、短半径水平井
只要油藏工程允许,且目的层之上无水层或复杂地层时,结合国内实际情况,水平井施工应采用中短半径,即曲率半径选择在40～50m为宜,不宜选择国外的18～22m,更不必高超短半径井(12m)水平井。从现场角度讲,过分短的曲率半径,施工难度过大,几乎没有回旋余地,井眼轨迹略有失控则需填井重钻,损失重大。
2、适宜的造斜率
造斜率的选择,是满足曲率半径要求的关键,按国家”九五”重点攻关项目的要求,只要达到造斜率1°～3°/m即视为短半径(国外3°～9°/m)。实践证明,造斜率1°～3°/m的短半径井水平井是经济、稳妥的实施方案。
3、三段制井身剖面设计应留有余地
井身剖面的选择,实际是造斜率的优化。尽管短半径水平井斜井段(造斜段)较短,考虑到现场施工中增斜井段铰接马达的不稳定性或初始不稳定性、地层因素的不确定性、施工操作的不规范性,应在井身剖面的设计六有调整余地。目前,的短半径水平井井身剖面的设计以三段制为最佳选择。即：第一增斜率造斜率1°～1.5°/m,第三增斜段(并进入靶点)造斜率为2°～2.25°/m,中间段(调整段)设计造斜率1°/m左右。
4、避开三维井身剖面
严格讲, 三维井身剖面不适合短半径水平井,因为在相当短而造斜旅又高的斜井段中进行较大的方位调整往往是不现实的,甚至不可能,在水平段更是如此。为此,要求在进入造斜点前,直至钻完水平段,整体剖面一直保持二维剖面。即使该井需要调方位而出现三维轨迹时,也要在造斜点之前完成,还必须注意所调方位量不能太大 (如0.1°～0.2°/m)。
5、校准老井数据
由于老井的电测完井数据往往不精确(受仪器精度所限),不能作为设计的依据。因此,老井在套管开窗设计前,需要先进行陀螺(SRO或BOSS速率)测井,用以精确校核原井眼的井斜、方位、磁场强度等数据。以此为基础,再做侧钻短半径井身剖面设计。特别指出的是,陀螺测井数据于老井的完井电测数据差别往往非非常大。这种情况下,结合的油藏设计条件,原定采用老井套管开窗侧钻短半径水平静之方案就不一定或根本不可能实现,从而引出三种情况：(1)可钻短半径水平井;(2)只适宜钻长、中半径水平井；(3)只可钻侧钻定向斜井(轨迹误差过大)。
6、校正磁场参数
短半径水平井钻井是一项精细工程，为准确中靶，要求井眼轨迹设计必须精确，还需考虑如下磁场参数的较正：（1）磁场强度；（2）近期的磁偏角;(3)大地子午线收敛角。
二、套管开窗侧钻
篇二：第五章 长、中曲率半径水平井钻井专用工具
第五章 长、中曲率半径水平井钻井专用工具
水平井钻井技术是指在一定钻井工艺的控制下使井眼由垂直状态变为水平状态或近似水平状态，这种钻井原理同定向钻井极为类似，也可以说，水平井钻井即是一种难度较大的特殊定向钻井。水平井要求在产层或某一指定的地层钻成有一定长度延伸的水平段，这就决定了其工艺上固有的特殊性。而工具的选择与使用必须能够保证钻头（或钻柱）按照设计的井眼轨迹准确运行。
水平井、特别是中半径水平井井身轨迹的特殊性，需要造斜工具必须具有较高的造斜能力，这是钻成水平井的基本保障；其次，在满足高造斜率要求的基础上还必须使工具有较好的稳定性。要想使井眼有一定的偏斜并不困难，以往的定向钻井工艺早已解决了这方面的问题，但当井斜角大到一定程度后，继续增斜、至使井斜角接近或超过90°，这就存在着很大的难度，这是常规的定向钻井工具所不能完成的。另外，水平井段的钻进也是我们前未遇的新问题，钻柱在这种特殊状态下的延伸必须有特殊的工具辅以维持。
为了满足水平井钻井施工的需要，设计制造出钻各种大、中曲率半径水平井的井下专用工具，通过现场试验使用进一步改进完善，总结出适合水平井钻井的工具模式。一般说来，水平井钻井的生产工序环节，大致上分为造斜，增斜、稳斜或稳平，有时根据地质要求需另附加水平取芯段。水平井井身轨迹的控制要求严格，各阶段使用的工具不尽相同，各种工具的研究技术难点也各不相同。
水平井钻井工具主要包括水平井钻井常用井下工具和地面工具两部分，该章主要介绍的井下工具是稳定器、无磁钻铤、螺旋钻铤、加重钻杆、定向接头、弯接头、定向弯接头、定向造斜专用PDC钻头、井底动力钻具(螺杆动力钻具、涡轮钻具)?和水平井取心工具等。地面工具主要包括转盘量角器、钻杆量角器、钻铤量角器、方钻杆标定尺、钻杆划线规、定向键调节扳手。
第一节稳 定 器 一、概述
稳定器用途最为广泛，不论是增斜降斜段，还是稳斜稳平段，都是不可缺少的工具之一。根据不同生产段的需要和水平井自身的特点，有着不同稳定器的形状及几何尺寸。综合考虑各种客观因素，确定稳定器在钻具组合中的最佳位置。 1.稳定器的种类：
按稳定器的结构可将稳定器分为以下几种类型：螺旋稳定器、直条稳定器、无磁稳定器、可换片稳定器、滚子稳定器、偏心稳定器、近钻头稳定器(双母稳定器)等。 2.各种稳定器的特点：
(1)?直条稳定器有结构简单起钻较容易的特点，对井壁切削最严重，稳定器效果不如螺旋稳定器好。
(2) 螺旋稳定器稳定器效果好，但起钻困难，易泥包。
(3)?滚子稳定器扭矩最小，稳定效果好，方位不易右漂，但存在结构复杂、价格高、更换滚子困难等缺点。
(4) 无磁稳定器用于无磁钻铤之间需要使用稳定器的情况下。
(5)?近钻头稳定器(双母稳定器)直接接钻头，不需要配合接头，缩小了钻头到稳定器中点的距离。
3.稳定器的用途特点
井底钻具组合通过在不同部位接入稳定器，可以有效的改变钻具与井壁的触点，使得钻具成为增斜组合、稳斜组合、降斜组合等。稳定器与钻具组成不同钻具组合用以完成各井段的施工，其基本工作原理在水平井中同样得到了充分利用，水平井稳定器应具有如下几个方面的特点：
a)在大斜度或水平井段使用旋转方式钻进时必须具有更好的保径性能及耐磨性能。 b) 在大斜度或水平段使用时，要有利于传递钻压、减少摩阻。
c)在钻具组合中能更好地起到单点支撑作用，有利于控制井身轨迹达到设计要求。 d)在各类地层中都有良好的扶正效果，并使井径扩大率控制到最小。 e) 减少泥浆流动的环空阻力，保证井眼畅通，起下顺利。
f）在测量对磁性干扰有特殊要求的场合，稳定器应采用无磁材料。 二、水平井稳定器的结构
稳定器在水平井中的作用效果与其本身的形状和外形尺寸有密切关系。为了满足水平井钻井过程中控制增斜，稳斜或降斜等的需要，设计了短螺旋稳定器、球形稳定器，锥形稳定器、偏心稳定器和动力钻具稳定器。 1. ＰＷＺ锥形稳定器
PWZ 型锥形稳定器主要用于近钻头的钻具扶正。设计扶正翼较短、取三棱螺旋状结构，螺旋槽在转动时能使泥浆以较小的阻力流过，有利于清洗井壁，扶正翼与本体间以30°倒角过渡，螺旋条凸起表面及倒角背锥加密镶装硬质合金以增加其耐磨性。为在软地层中加强稳定效果并能有效地控制井径扩大率，螺旋体取圆锥外形增加了与井壁接触面积。 2. ＰＷＤ型短螺旋稳定器 PWD 型外螺旋稳定器为钻柱型稳定器，?在钻具组合中通常加于PWZ之上，与一般螺旋稳定器相比，其主要特点是减少了扶正面积，可降低磨擦阻力，其他设计要求与 PWZ基本相同。 3. ＰＷＱ球形稳定器
PWQ 形稳定器表面设计近似球形，主要是为了减小磨阻，容易通过造斜井段。在旋转钻井钻具组合中通常配接在 PWD之上，用于稳直段；有时，该稳定器也替代 PWD与 PWZ配合用于增斜或降斜。
4. ＰＷＬ型动力钻具稳定器 PWL 型动力钻具稳定器用于弯壳体动力钻具的近钻头扶正，主要作用为增斜。?基于减少磨阻和便于钻压传递的考虑，PWL型稳定器初始设计为五棱鼓形结构，由于在使用中发现因块正条翼间距较大，条翼凸部与动力钻具的背弯不易准确对正，难以实现与井壁稳定地支撑，而凸、凹部位做为支点所产生的造斜效果却相差较大，为此在设计上做了如下的改进：将其中两扶正条间填平加工成一个宽条，其宽度约为原在单扶正条的３倍，宽块正条安装在动力钻具的背弯方向，在井内支撑于下井壁。这一改进较好地解决了稳定扶正和有效控制造斜率的问题，在以后水平井的施工中得到了满意的效果。 5. ＰＷＰ型偏心稳定器
PWP 型偏心稳定器通常加接在紧靠在动力钻具的上面，有利于增强动力钻具的刚性，?从而使造斜率均匀一致并保证方位稳定。PWP偏心稳定器的加入可与动力钻具组配成更有利于造斜的钻具结构。安装时应使其偏心距最大的部位与动力钻具弯向一致，使之与上井壁接触，从而迫使稳定器的背部成为钻具在下井壁的一个稳定支点。PWP与近钻头稳定器相互作用，使动力钻具的倾斜、钻头偏移量和侧向力的方向都将更有利于井身轨迹沿增斜趋势延伸。
三、稳定器在定向井、水平井钻具组合中的作用原理
稳定器在钻具组合中的安放位置不同，钻具组合所表现的性质就不同，一般地将，近钻头稳定器离钻头越近，钻头的增斜力就越大，反之钻头的增斜力则越小。对于用两只以上稳定器的钻具组合来讲，一号稳定器和二号稳定器之间的距离在有效范围内越大，钻头的增斜
力越大，反之钻头的增斜力越小。下边应用力学理论对稳定器的作用原理进行分析。
图5-1底部钻具组合示意图
设a.井壁是刚性的;
b.稳定器与井壁之间无摩擦; c.钻柱旋转无影响;
d.钻具组合中共有n个稳定器。
根据纵横连续梁理论，那么第i（i=1,2,?,n）个稳定器的三弯矩方程为：
?iLi
Ii
?LiLi?1?Li?1qiL3qi?1L3ii?1
?Mi?1?2????M??M??????6EQiiiii?1i?1ii?1?I?II4I4Iii?1?i?1ii?1?
式 中：
Qi?
?ri??ri?1?ri?1??ri
?LiLi?133
?2
uisin(2ui)2uI33
?
(2ui)22uitg(2ui)3(tgui?ui)
ui
2312
?i?
?I??i?
?SiLi
ui???4EI
i?????
Si 第i段钻柱的轴向力 N Mi第i个稳定器处的钻柱内弯矩 N2M Ri第i个稳定器处的井壁反力 N R0钻头处的井壁反力 N Qi第i段钻柱的横向载荷N/m Ii第i段钻柱的惯性矩 m4 E钻柱的弹性模量 N/m2 Pi第i段钻柱在空气中单位长度重量 N/m ρc钢材密度g/cm3 ρm钻井液密度g/cm3 α 井斜角 （°） Δri 第i个稳定器与井壁之间的半径差值 m
Yi 第i段钻柱的最大挠度m θφ钻头转角rad
切点处的辅助方程：
MnLn?1qn?1L3?r??rnn?1
?n?1??n?1?n?1
6EIn?124EIn?1Ln?1
第i个稳定器处的井壁反力
Ri?Ri'?Ri"
式 中：
?qiL2?1i
R???Mi?1?Mi?Si(?ri??ri?1)?
2??Li?1
'
i
?qi?1L2?1i?1
R???Mi?1?Mi?Si?1(?ri?1??ri)?
?2?Li?1
"i
由上述三式可以求得钻头处的侧向力Pc：
?qiL2?1i?Pc??R0????Mi?Si?ri??L?2?i
式中ΔrI=Di-D井眼
DI为稳定器的外径， D井眼 为井眼直径。
上式表明了稳定器的安放位置、外径对钻头的侧向力起着重要作用。当井径一定时，稳定器外径在有限范围内越大，钻头的增斜力越大。安放位置离钻头越远，钻头增斜力越小。
四、稳定器在定向井、水平井轨迹控制中的应用实践
稳定器在钻具组合中的工作原理，早已在一般直井和定向井的钻井实践中得到了认识。由于水平井和大位移井在世界各油田的普及与发展，使得人们对稳定器的工作原理及其作用下的造斜规律取得了更为深刻的认识，虽然理论推导和公式计算与实际有一定差距，但也正确地反映了其作用规律。下边针对多年来的钻井实践，通过对部分井使用情况的统计分析，?可以看出稳定器在钻具组合中影响造斜性能的一般规律。
稳定器间距与造斜率的相关关系
注：表中 L1 为钻头与第一稳定器的间距， L2、L3 分别为第一、第二和第二、三稳定器的间距。
统计结果表明，在以转盘钻方式钻进过程中，稳定器间距在水平井钻具组合中对造斜率的影响基本上与普通井的规律相吻合：
a)当Ｌ1＜1.15m，Ｌ2＜10m，Ｌ3＜10m时，该工具组合有稳斜、稳平作用。
b)当Ｌ1＜1.15m，Ｌ2≈20m，工具组合有增斜效果，且造斜率随着Ｌ2的增大而增大。 c)?当Ｌ1＞4m，Ｌ2≈20m，工具组合有降斜效果，且降斜率随着L1的增大而提高。 应当指出，以上规律仅为胜利油田范围内部分水平井的统计结果，现场操作者的实际经验、操作水平以及地质情况对工具造斜性能的影响都是非常重要的，因此所提供的数据只能作为使用者在设计钻具组合时的参考。
第二节 水平井特殊管具
一、无磁钻铤
1. 无磁钻铤的材料及性能
无磁钻铤使用无磁材料制成，目前现场使用无磁钻铤的材料多为孟乃尔合金(monels)?，
66
它的弹性模量为：E=26*10磅/英寸，普通钢钻铤弹性模量为：E=29*10磅/英寸，铝为∶
6
E=11*10磅/英寸。由于无磁钻铤的机械性能不同于普通钻铤，弹性模量较小，且费用高，因此使用应特别小心防止损坏。
2.无磁钻铤的作用
篇三：第七章----水平井技术
第七章水平井技术
7.1 水平井的定义
所谓水平井，是这样一种定向井，其最大井斜度达到90°左右(一般大于85°就叫水平井)，且在目的层内维持一定长度的水平的或近水平井段。
八十年代以来水平井钻井技术的不断成熟主要归功于整个定向钻井技术，它是定向钻井技术发展的重大进步。
7.2 水平井的分类及其特点
目前，根据造斜井段的曲率半径，水平井可以分为四种类型：长半径、中半径、短半径水平井(见图7-1)和超短半径水平井。
① 长半径水平井系统
水平井钻井技术已经进入新的历史时期，但是长曲率半径系统仍然有着它的应用领域，在勘探和探明油田面积方面利用长半径系统成功地钻出了许多水平井。对于海上钻井平台，大跨度或综合考虑障碍的井口位置和在城市下面的油田等，最好使用长半径。
通常来说，长曲率半径水平井是采用常规的井下工具。这一类型的水平井的造斜点比较靠近井口；由于曲率半径大，能达到较大的水平位移。
② 中半径水平钻井系统
从广义上讲，这一钻井系统的水平井眼是根据API对钻柱的弯曲和扭转的复合应力所给出的极限值，进行有效的钻井作业。经实践，最大的实际狗腿严重度在旋转钻方式中为20°/100ft，在定向钻方式中可达30°/100ft。
中半径水平井系统的适用范围很大，而且在北海、墨西哥湾、洛杉矾和阿拉斯加的北部作业中取得了巨大的成功。它成功地应用于解决水锥、气锥、生物礁和裂缝地层的油层的开发。
虽然油层的自然性质对于中半径水平井系统的使用性有着某些影响，但是比长半径系统少多了。尽管钻井液的漏失使得作业复杂化，但钻裂缝性油层的最经济方法在目前来说还是首推中半径水平井。
中半径弯曲井段所需要的垂直深度比长半径系统的深度小得多，许多复杂的井段能够在中曲率半径水平井的垂直井段顺利通过。并且能在钻弯曲井段和水平井段之前下入套管将其封固。当然，这样做可能因为增加下套管井深而多一些费用，但是在比较短的弯曲井眼中钻进能够节省时间和减少潜在的井眼复杂情况。
但是与长半径相比，中半径水平井也有一些缺点。这主要是中半径水平井造斜率较大，所以接头的弯曲力矩、管串本体的材料应力必须引起工程作业的重视；并且在比较松软的地层中钻进，中半径水平井的大曲率所造成的侧向力在井壁上产生键槽并可能钻出新井眼。
通常我们谈到水平井时，会见到一种“双增剖面”的水平井。它就是水平井在第二个增斜井段进入水平，而在二个增斜段之间加一个斜直段，这一段通常被放在井斜角45°～75°之间，其位置安排在钻达靶区总垂深的70～85%以下。这个井深调节段，主要是针对目的层浓度的不确定性。另外，不稳定或复杂的地层使第一增斜段的造斜率可能产生较大变化，通过斜直段的调节，使井眼在通过第二次增斜在预定的垂深进入水平。实际上，双增剖面同时在大半径和中半径水平井中使用。
从经济方面考虑，与长半径水平井相比较，中半径水平井垂直井段要长这段费用较低；虽然中半径水平井自造斜后开始，其单位费用率高，但它减少了弯曲井段的进尺。国外有资料说明了这方面的比较，认为总的费用大致与长半径水平井相当。
③ 短曲率半径水平井系统
短曲率半径系统是使用扰性或铰链工具钻出其狗腿率范围在60°～300°/30m水平井的钻井系统。短半径水平是在6inT 4-3/4”in井眼中进行，其狗腿度在140°～280°/30m之间。
由于短曲率半径水平井的位移小，弯曲段要求的垂深也小，因此，这一系统特别适用于那些目的层覆盖层为复杂油层的井。它能在钻弯曲井眼段之前把上部井眼封起来，从而进一步减少了钻进面临的复杂情况，保证下一阶段关键井段的顺利进行。由于短曲率半径水平井弯曲段所需的垂直浓度小，这就使得泵油设备可以被下到垂直井段的深部接近产油层的位置，而且无需过量的弯曲或油泵抽油杆。另外，由于短半径造斜率大，与长半径和中半径水平井相比，短半径水平井中靶的总垂深误差要相对小。
但是，短半径系统也有一些缺点，它的工具不像其它系统那样牢固，并且不完全符合API标准。按照目前一些钻机的设计来说，短半径系统所使用的工具在井场维修和处理比较困难，必须对钻机以及井场的其它装置作适当的调整才能工作。
从经济上讲，短曲率半径系统与其它方法比较，由于种种原因很难进行作业。例如，目前短半径系统的水平段长度只是中半径或长半径系统水平段的10～30%左右。并且由于机械钻速低，短半径的单位费用是长半径和中半径的10倍。虽然在同一目的层，完成一口短半径水平井，其总费用可能与长半径系统和中半径系统相当，但是它的水平段长度小得多，因此在采收率方面肯定是不及长半径和中半径水平井。
短半径造斜工具如图7-2所示
④ 超短半径钻井系统
水平钻井的最新方法是超短半径钻井系统，这一方面是使用高压液体喷射出一段水平的井眼，其变化的曲率半径只有几英寸到一英尺左右。目前使用该系统所钻的水平段长度还只限于200ft之内。尽管在硬地层也可以喷射出一个井眼，但很显然，这一系统更适用于松软地层、浅油砾层和沥青砾油层。而这些松软地层中作业，井眼稳定同样是一个需考虑的主要因素。
7.3 水平井的应用
7.3.1 天然垂直裂缝
同灰岩一样，与天然垂直裂缝相交错的油藏为水平井提供了理想的应用条件，这一类型的井身剖面可以使产量提高4～20倍。在垂直裂缝油藏中，油气完全处在裂缝中，裂缝之间的非生产底层一般为6～60m厚，所以垂直井可能只钻到一个产层，也可能一个产层也钻不到，而水平井可以与产层垂直相交横向钻穿若干个产层裂缝，这样就比垂直井的开采量高得多。
7.3.2 水锥和气锥
① 水锥：如果产层为水驱动，尤其是当原油粘度比水高得多时，垂直井可能会遇到水锥的问题。发生这一问题时，会连油带水一同生产。水平井可以在油层的中上部造斜，然后在生产层中钻一定长度的水平井段。水平井不仅减少水锥的可能性，而且每单位长度的产油段的压力降比垂直井产油段低，出水、出砂也比垂直井少。
② 因为天然气的粘度远低于原油，通常气锥比水锥更为严重。如果气锥不能控制，则油层必须以注气的方式来维持产量，否则压力必然过早地下降。水平井的井眼全部在油砂中，所以有助于避免气锥问题，并可以控制采收率，不至于使气锥的压力梯度过高。
水平井成功地减少了水锥、气锥等有害影响。因此，水平井可以显著提高产量。
7.3.3 低渗透性地层
在低参透率油藏，由于生产能力低，提高油气流的方法之一就是对油井进行压裂，但是，
更引人注意的解决办法是钻水平井。一口水平井可以大大增加泄油面积。
7.3.4 薄油层
对于薄油层，通过在油层的上下边界之间钻一个水平井段可以大大地增加井与油层的接触表面积。
7.3.5 不规则地层
水平钻井已经成功地应用于开发不规则油藏。这种含油地层互不关联，孤立存在，地震测量也难以指定其准确位置，所以钻直井或常规定向井很难钻到这类油藏。然而短半径水平井可以从现有直井中接近油藏的位置进行造斜，并且可以避免可能的水锥和气锥问题。
7.3.6 重油产层
在重油产层中，水平钻井具有提高产量的能力。横穿油藏的水平井既可以作为生产井又可以作为注水井。
7.3.7 提高采收率
采用水平井同样可以提高原油采收率。在注蒸汽情况下，直井的低注入量常常呈现很差的热平衡，有部分能量消耗在地面管线、油井及相邻地层的热损失上，而水平井可以提高日注入量，直接加热更大的石油体积，将在很大程度上改善热平衡。另外，为了有效注入混相段塞(CO2、液化石油气、表面活性剂)必须扩散更长的距离。在这种情况下水平泄油无疑是一种改善。
7.3.8 老井重钻
7.4 水平井的剖面设计
水平钻井技术与常规定向钻井技术最为不同的两个特点是使用特别的造斜钻具及特别的剖面设计。单位井身长度的成本最低时，水平井的长度为最佳长度。为了达到可能达到的最大长度，必须使扭矩和上提拉力(摩阻)为最小。
7.4.1 影响水平井剖面设计的因素
影响水平井剖面设计的因素，归纳起来，有以下几个：
① 套管程序
② 井眼尺寸
③ 油层厚度
④ 油层(地层)特性
⑤ 租赁限制
⑥ 完井技术
具体地讲，造斜曲线设计必须考虑到以下问题：
① 避开复杂地层造斜；
② 曲线末端即造斜结束时的位移最小；
③ 造斜井段的长度最短；
④ 有一个调节井段以应付不理想造斜率的情况；
⑤ 利用造斜井段的构造标记调整最终目标区的深度；
⑥ 必须允许使用所有必需的完井设备和采油工具。
7.4.2 水平井的剖面类型
根据油藏特性的不同，从水平段的几何形状看，水平井剖面类型，可分为以下几类，如图7-3所示。
图7-3中给出了8种水平井剖面的示意图。
① 为水平段平缓的剖面。这是一种最简单、最经济的一种剖面设计，这种剖面的水平井较容易完成。该剖面应用于各向同性的油藏以及解决气/水锥等问题。
② 波浪型井底的水平井。这种剖面应用于那些被不渗透性障碍隔开的几个单个油藏。 ③ 井底水平段上倾的水平井。这种水平井应用于解决气锥的问题。当油气界面下移，进入水平段远端时，这时可以将水平段远端封死，但整个井还能继续生产。
④ 井底水平段下倾的水平井。这种水平井应用于解决水锥的问题。当油水界面上移，进入水平段远端时，这时，可以将水平段远端封死，但整个井还能继续生产。
⑤ 阶梯状井底水平井。这种水平井同样应用于被不渗透性障碍分割的几个油层。这种水平井风险大，轨迹控制很难。
⑥ 多分支的水平井。多分支短曲率水平井已得到广泛应用。多分支中、长曲率水平井的应用正在开始，随着作业费用的降低以及驱油面积的增加，多分支中、长半径水平井的应用将进一步推广。
⑦
重力驱油水平井。这种水平井应用于那些只能用重力驱油开采的油藏。这种水平井将
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